福建沿海地區PHC管樁單樁水平荷載試驗研究

吳偉忠

(福建省宏實建設工程質量檢測有限公司,福建 泉州 362122)

0 引言

我國在沿海地區以及板塊交界處分布著廣泛的地震帶,一般地震設防等級7度以上,在這些地方進行公共民用建設均需進行抗震設計。這幾年隨著經濟的快速發展,城市化進程不斷推進,沿海省份靠海地區出現了大量的石化煉油廠、大型倉儲物流園、海邊居民建筑,PHC管樁在這些建筑中得到了廣泛應用。在此背景下,如何有效地保障沿海地震區高層建筑的地基穩定是一項關鍵任務。預應力高強混凝土管樁(簡稱PHC管樁),具有承載能力高、施工速度快、施工工藝方便、工程造價低等優點,近些年在我國得到廣泛應用,成為我國土木領域最常用的樁基礎之一。但由于其樁身為空心截面,截面抗彎慣性矩較小,抗彎剛度也較小,因此抗彎性能相對較差。相對于其豎向承載性能,PHC管樁的水平承載性能較弱。而在實際工程中,樁基礎除了承受豎直荷載以外,同時還受到其他水平荷載(如溫度荷載、土壓力、風荷載、波浪荷載、地震荷載等)的作用,從而使得樁基的受力情況更為復雜。而國內對于PHC管樁的研究,特別是水平荷載等周期荷載的作用研究相對較少,因此開展PHC管樁的水平推力試驗研究對PHC管樁樁基的設計、施工和未來發展都有十分重要的意義[1]。

目前,PHC管樁水平推力試驗的研究方法主要有以下4種[2]:1)地基反力系數法;2)彈性理論法;3)有限元法;4)極限平衡法。目前對于PHC管樁單樁水平承載能力的研究主要以試驗為主,而國內外學者對于該方面的研究還存在很多不足之處,如破壞機理、試驗方法、承載特性等方面的研究仍需深入。因此,通過試驗對PHC管樁單樁水平承載能力的研究具有重要的理論和實際意義。

基樁的水平推力試驗一般分為室內試驗和現場原位試驗,室內試驗經濟、易于控制,但模型與實際出入較大;現場試驗更真實、準確度更高,為了保證試驗的精度和可行性,工程實際中更多地通過現場試驗來進行基樁的水平推力試驗。

本文通過對泉州某庫房項目的2根PHC管樁進行水平靜載試驗,得到PHC管樁的單樁水平臨界荷載和水平極限荷載,并根據試驗結果對PHC管樁的水平受力特性進行分析。

1 工程背景

位于福建泉州市近海地區的某庫房土建工程項目,建筑物結構形式為框架結構。樁基基礎均采用PHC管樁,樁身混凝土強度為C80,設計樁端持力層為強風化花崗巖,樁徑均為500 mm,樁長為11.2 m～16.5 m。現場共有384根樁基,選用1號樁和2號樁作為試驗樁進行試驗。試驗樁樁頂露出地面1.5 m,水平荷載作用點設置在樁頂地坪處。

2 地質概況

該場地地基復雜程度等級為二級,結構安全性等級為二級,地震烈度為7度,建筑抗震設防等級為丙類。該場地土層分布較多,地質分布復雜,具體自上而下為耕植土0.3 m～0.7 m,素填土0.3 m～8.8 m,淤泥0.3 m～2.8 m,粉質黏土0.5 m～6.3 m,細砂0.8 m～3.7 m,中砂0.3 m～3.8 m,殘積砂質黏性土0.4 m～19.9 m,全風化花崗巖0.6 m～15.6 m,砂土狀強風化花崗巖2.1 m～13.95 m,碎塊狀強風化花崗巖1.8 m～6.5 m,中風化花崗巖最大揭露厚度8.6 m。

各土層的物理力學指標和設計計算參數見表1。

表1 各土層的物理力學指標

3 試驗方案

由于工程現場條件限制,本次試驗采用油壓千斤頂進行加載,承臺底面標高處采用位移傳感器測量水平位移,在距樁頂500 mm處安裝第2個位移傳感器進行轉角的測量,水平靜載試驗裝置如圖1所示。

根據現場實際情況,本次試驗選擇2根樁作為反力樁,反力樁連線中心與試驗樁位于同一直線上。為了便于安裝儀器,需對現場場地進行處理;由于現場場地整平處理較為困難,為了保證加載時千斤頂不會發生偏移,需要在千斤頂下面放置木板保持水平;由于2根反力樁和試驗樁距離比較大,為了保證水平荷載的正常施加,需要在反力樁前鋪設一定體積的混凝土預制塊,同時為了防止偏心受力,需要在預制塊和千斤頂之間布置墊塊。

為了盡可能地模擬單樁結構的實際受力形式,根據JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規范[3],本次試驗采用單向多循環加載法進行加載,每級荷載取預估極限承載力的1/10左右,設計單位驗算試驗樁單樁水平極限承載力為200 kN,因此每級荷載增量為20 kN;每級荷載加載4 min后,卸載到0,停2 min后,重復之前的加卸載步驟,循環5次后,進行下一級荷載的加載,同時每一次加卸載時要實時記錄對應荷載的水平位移。當水平位移超過40 mm時,停止加載并將荷載卸載到0,等待2 min后終止試驗。

4 試驗結果及分析

4.1 單樁水平承載力取值

通過對水平靜載試驗數據進行處理,可以得到相應的試驗樁水平荷載關系曲線,如圖2所示。

當樁身開始出現裂縫時,此時測得的水平荷載為單樁水平臨界荷載。根據圖2可以看出,當水平荷載超過臨界荷載時,水平荷載所對應的位移明顯大于臨界荷載前所對應的位移,樁的位移振幅也隨著循環次數的增加而明顯增大,此時PHC管樁樁身開始出現裂縫。根據H-t-Y0,H-ΔY0/ΔH關系曲線可以看出:1號樁、2號樁單樁水平臨界荷載均為140 kN,對應的樁頂臨界位移分別為4.57 mm和4.73 mm。

當樁身應力達到強度極限、樁體完全破壞時,此時測得的水平荷載為單樁水平極限荷載。根據圖2可以看出,當水平荷載超過極限荷載時,每單位荷載所對應的位移急劇增大,樁的水平位移急劇增大,此時PHC管樁樁體達到極限,樁身出現裂縫,樁體完全破壞。根據關系曲線圖可以得到,1號樁、2號樁單樁水平極限荷載均為220 kN,對應的樁頂極限位移分別為22.33 mm和23.18 mm。

在實際工程中,單樁荷載的設計往往需要考慮安全系數[4],根據JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規范,對于預制樁,取樁頂位移為10 mm時所對應的水平荷載的75%為單樁水平承載力特征值。由圖2可知:1號樁、2號樁泥面處水平為10 mm對應的荷載分別為218 kN和215 kN,單樁水平荷載特征值分別為163.83 kN和161.35 kN。

單樁水平荷載試驗結果見表2。

表2 單樁水平荷載試驗結果

4.2 水平抗力系數的比例系數m值

由于土層狀況復雜,當樁受到水平荷載作用時,地基土水平抗力難以被精確測量,選擇合適的計算模型顯得尤為重要,通常采用文克爾假設,即將土體看作彈簧,利用水平抗力系數進行分析。水平抗力系數方法一般有“C”法、“C值”法、“K”法、“m”法,根據規范要求[5],采用最常用的“m”法進行計算,m值可按式(1)確定:

(1)

其中,m為地基上水平抗力系數的比例系數,kN/m4;vy為樁頂水平位移系數;H為作用于地面的水平荷載,kN;Y0為水平力作用點的水平位移,m;EI為樁身抗彎剛度,kN·m2;b0為樁身計算寬度,m。

將試驗數據代入式(1),繪制出水平荷載H、水平位移Y0與m值的關系曲線,具體如圖3所示。通過圖3中1號樁和2號樁的關系曲線可以看出,水平荷載H與m值表現為雙曲線關系,當H<60 kN時,m與H表現為線性關系;當60 kN100 kN時,隨荷載H的增大,m值變化緩慢趨于常數。水平位移Y0與m值也呈現為雙曲線關系,當Y0<5 mm時,m與Y0表現為線性關系;當Y0>5 mm時,隨位移Y0的增大,m值變化緩慢趨于常數。

4.3 單樁水平荷載影響因素分析

當樁受到水平荷載作用時,樁頂露土部分約1 m～1.5 m,大部分樁身位于土層中,水平荷載會對樁產生彎矩,所以水平推力試驗中最重要的是研究水平樁的抗彎性能。最能體現抗彎性能的參數是PHC管樁的抗彎剛度,抗彎剛度與材料的彈性模量以及截面慣性矩有關,由于PHC管樁采用高等級的混凝土,根據相關力學知識[6],抗彎剛度=EI,而PHC樁彈性模量較大,抗彎剛度較高,因此抗彎性能較強。

對于PHC管樁的受力性能研究,工程上使用的PHC管樁為空心截面,根據材料力學相關知識,與相同尺寸的實心截面結構相比,空心截面結構的截面慣性矩更高,而彎曲應力=M/I,相同荷載下空心截面結構應力更小,所以PHC樁截面慣性矩較小,強度較高。

對于PHC管樁的水平承載力研究,根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范[7],PHC樁彈性模量E越大,截面幾何尺寸越大,抗彎剛度EI越大,樁頂水平位移越小,所以對應的承載力就越大。

一般來說,混凝土的強度越大,PHC管樁抗彎性能越好、強度越高、承載力越大,但混凝土強度越高,延性越差,不利于抗裂,另外,混凝土標號越高成本也較高,所以綜合考慮一般優先選擇C60—C80混凝土。

在一定水平荷載范圍內,H-t-Y0關系曲線變化幅度較小,H-ΔY0/ΔH關系曲線斜率較低,而m值關系曲線中m值偏大,由此可以分析出,當荷載和位移較小時,地基土水平抗力非常大,而在土體抗力的約束下,樁土處于彈性狀態,荷載與位移基本呈線性關系,卸載后基本可以恢復。從樁頂的破壞位置可以看到,1號樁的斷裂位置為樁頂以下2.3 m,2號樁的斷裂位置為樁頂以下2.5 m,樁頂以下2 m～3 m屬于薄弱位置,有必要對淺部土層進行加固,回填密實性較好的碎石土,增加土體彈性模量和約束力,可以有效地提高單樁水平承載力。

5 結論

1)通過福建省泉州市某庫房土建項目的2根PHC管樁單樁水平推力試驗,對試驗樁均采用單向多循環加載法進行試驗,最后得到相應的時間、荷載、位移數據,同時需要根據現場實際情況對試驗現場場地進行調整。

2)通過試驗數據,按照現行規范繪制1號試驗樁和2號試驗樁的水平荷載關系曲線,得到該試驗樁的臨界荷載、極限荷載、承載力特征值分別為140 kN,220 kN,163.83 kN和140 kN,220 kN,161.35 kN。

3)采用 “m” 法進行水平抗力系數的分析,通過規范公式,繪制出水平荷載、水平位移與水平抗力系數的比例系數m值的關系曲線。可知:荷載、位移與m值均呈現雙曲線關系,當荷載、位移較小時接近直線關系,當荷載、位移較大時變化緩慢趨于常數,因此通過改良淺部土層提高密實度,增加對樁的水平約束力,進而有效減小PHC管樁水平承載力。

4)PHC管樁在水平荷載作用下,其抗彎性能、強度與其材料的彈性模量、截面慣性 矩有關,材料通常優先選擇C60—C80混凝土。PHC管樁由于其抗彎剛度和強度較高,受力性能較好,承載力較高,可以很好地應用到工程實際中。